WPŁYW PREPARATÓW KRWI NA WŁAŚCIWOŚCI

4-2009
TRIBOLOGIA
43
Piotr DUDA*, Jerzy CYBO*
WPŁYW PREPARATÓW KRWI NA WŁAŚCIWOŚCI
TRIBOLOGICZNE SKOJARZENIA UHMWPE/STOP
CoCrMo
THE INLFUENCE OF BLOOD PREPARATIONS
ON TRIBOLOGICAL PROPERTIES
OF THE UHMWPE/STOP CoCrMo ALLOY COUPLE
Słowa kluczowe:
tarcie, zużycie, właściwości tribologiczne, osocze krwi, surowica krwi
Key-words:
friction, wear, tribological properties, blood plasma, blood serum
Streszczenie
Wprowadzenie nowego materiału na implanty długookresowe, a zwłaszcza endoprotezy, powinno być poprzedzone kompleksowymi badaniami
– w tym tribologicznymi. Niemożliwe do pominięcia badania eksploatacyjne in vitro materiałów stosowanych na endoprotezy należy przeprowadzić z jak najdokładniejszym odwzorowaniem warunków panujących
w zaimplantowanym stawie. Pozwala to na w miarę dokładne określenie
*
Zakład Badań Warstwy Wierzchniej, Katedra Materiałoznawstwa, Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, ul. Śnieżna 2, 41-200 Sosnowiec,
tel. (032) 36-89-582.
44
TRIBOLOGIA
4-2009
zachowania badanego biomateriału w aspekcie długotrwałej eksploatacji
w żywym organizmie. Do tej pory nie ma znormalizowanego środka smarującego, jaki powinien być stosowany w tego typu badaniach. Powyższa
tematyka jest sporadycznie poruszana w literaturze.
Autorzy dążą do przedstawienia wpływu środków smarujących,
w tym osocza krwi zwierzęcej i ludzkiej oraz surowicy krwi ludzkiej, na
charakterystyki tribologiczne polimerowo-metalowego węzła tarcia. Wyniki przeprowadzonych eksperymentów ujawniły inny przebieg tych charakterystyk dla preparatów krwi w porównaniu z wodą destylowaną oraz
zmiany wartości współczynnika tarcia i intensywności zużywania przy
różnych wartościach obciążenia i prędkości ślizgania. Media bazujące na
krwi pochodzenia ludzkiego cechowały się większym rozrzutem oraz
mniejszą jednoznacznością wyników niż pozostałe środki smarujące. Jest
to niekorzystne w przypadku zastosowania czystej postaci tych mediów
do badań tribologicznych. Przeprowadzone analizy wskazują na niedoskonałości preparatów krwiopochodnych, ale zarazem ukierunkowują
w zakresie poszukiwania cieczy do zastosowań w długotrwałych badaniach tribologicznych in vitro.
WPROWADZENIE
Z punktu widzenia mechaniki stawy organizmów żywych są połączeniem
doskonałym. Z tego względu od dawna pozostają w sferze zainteresowania ośrodków naukowych dążących do zgłębienia zasad ich działania
i przeniesienia na grunt mechaniki urządzeń. Nawet tak doskonały układ,
jakim jest połączenie stawowe może ulec uszkodzeniu w skutek urazu
lub choroby. Obecne zaawansowanie technik medycznych pozwala na
przywrócenie funkcjonalności uszkodzonego stawu poprzez zastąpienie
go endoprotezą.
Dążenie do zwiększenia trwałości eksploatacyjnej endoprotez jest
związane z poszukiwaniem nowych, doskonalszych biomateriałów i optymalizacją konstrukcji sztucznych stawów [L. 1, 2]. Wprowadzenie nowego materiału na implanty długookresowe, a zwłaszcza endoprotezy,
powinno być zatem poprzedzone kompleksowymi badaniami tribologicznymi, w tym również na symulatorach stawów.
W wielu opracowaniach autorzy wskazują, że nie mają dostępu do
symulatorów stawów, co powoduje, że i warunki przeprowadzania badań
mogą się znacznie różnić [L. 3]. Do najważniejszych parametrów badań
4-2009
TRIBOLOGIA
45
zaliczyć należy: rodzaj materiałów partnerów tribologicznych, prędkość
i rodzaj ruchu, obciążenie, parametry powierzchni współpracujących,
rodzaj medium smarującego i temperatura medium.
W większości przypadków za najważniejszy uznaje się rodzaj materiałów głowy i panewki. Dużo mniejszą uwagę zwraca się natomiast na
rodzaj medium smarującego, mającego istotny wpływ na charakterystyki
tribologiczne. Z tego względu autorzy przyjęli za cel pracy wykazanie
różnic między charakterystykami tribologicznymi uzyskanymi przy
zmiennym rodzaju medium smarującego dla identycznej pary materiałowej i pozostałych warunków tribologicznych. Wykorzystano wodę destylowaną jako odnośnik oraz osocze i surowicę krwi ludzkiej, a także osocze krwi zwierzęcej (bydlęcej), których skład odzwierciedla w przybliżeniu środowisko, w jakim pracuje sztuczny staw.
STANOWISKO I METODYKA BADAŃ
Do badań wykorzystano stanowisko typu trzpień–tarcza T-01 (produkcji
ITeE – PIB), ze względu na prostotę wykonania próbek oraz możliwość
dokładnego określenia: siły i współczynnika tarcia, zmiany wymiaru liniowego próbki oraz temperatury medium. Do współpracy tribologicznej
wybrano materiały: polietylen o wysokim ciężarze cząsteczkowym – stosowany na panewkę (o nazwie handlowej Chirulenu, GUR 1120) i stop
Vitalium – stosowany na głowy. Powierzchnie przygotowano zgodnie
z wytycznymi normy ISO 7206-2 [L. 4]. Badania przeprowadzono na
drodze tarcia 1 km dla czterech prędkości poślizgu (0,1; 0,2; 0,3
i 0,4 m/s) i dwóch wariantów obciążenia węzła tarcia (0,5 i 1 MPa).
Temperaturę otoczenia utrzymywano w zakresie 21±1ºC, a wilgotność
50±5%. W każdym eksperymencie do węzła tarcia dozowano taką samą
ilość cieczy smarującej w objętości 3,5 cm3. Zużycie liniowe określano
jako różnicę przemieszczeniem czujnika po teście (i etapie chłodzenia)
i przed biegiem. Natomiast rozszerzalność cieplna została określona na
podstawie zmian wymiaru liniowego w czasie chłodzenia węzła tarcia.
WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA
W celu wstępnego zobrazowania różnic pomiędzy wodą destylowaną
i preparatami krwi przeprowadzono pomiary lepkości dynamicznej mediów smarujących za pomocą wiskozymetru Höpplera. Zakres badań dobrano, kierując się przewidywanymi wartościami, jakie osiągną środki
46
TRIBOLOGIA
4-2009
smarujące podczas badań. Wyniki (średnia z 10 pomiarów) przedstawiono na Rys. 1.
Lepkość dynamiczna [Pa*s]
o
Temperatura [ C]
1
20
0,1
25
30
35
40
45
Woda destylowana
Osocze krwi bydlęcej
Osocze krwi ludzkiej
Surowica krwi ludzkiej
0,01
0,001
0,0001
Rys. 1. Lepkość dynamiczna środków smarujących w funkcji temperatury
Fig. 1. Dynamic viscosity of lubricating agents as a function of temperature
Analiza zmian lepkości wskazuje (Rys. 1), że największą wartość
osiąga osocze krwi zwierzęcej, a nieznacznie niższą lepkością wykazują
się preparaty krwi pochodzenia ludzkiego. Mają one ponadtrzykrotnie
większą lepkości dynamiczną niż woda destylowana. Dla wszystkich
mediów smarujących, jak przewidywano, maleje lepkość wraz ze wzrostem temperatury.
Początkowy etap współpracy tribologicznej także istotnie różnicuje
preparaty krwi i wody destylowanej (Rys. 2), co potwierdzają również
inne opracowania [L. 5]. Sposób przejścia od tarcia statycznego do kinetycznego jest odmienny dla omawianych mediów. W przypadku wody
destylowanej obserwowany jest duży wzrost wartości siły tarcia już
w pierwszych sekundach testu, która zaczyna szybko spadać do osiągnięcia ustabilizowanej wartości (Rys. 2a). Wszystkie preparaty krwi, podobnie jak w przypadku zaprezentowanego osocza krwi zwierzęcej
(Rys. 2b), początkowo mają małą wartość siły tarcia, która logarytmicznie wzrasta do wartości ustabilizowanych. Prawdopodobnie główną przyczyną takiego zachowania się preparatów krwi jest zawartość protein,
które tworzą warstwę graniczną, charakteryzującą się niższym współczynnikiem tarcia. Ma to istotna znaczenie, gdyż właśnie w przypadku
krótkotrwałego ruchu stawu oraz w początkowym etapie jego przemieszczania się następuje największe zużywanie się elementów endoprotezy.
4-2009
TRIBOLOGIA
a)
47
b)
Rys. 2. Przykładowe przebiegi dla: a) wody destylowanej, b) osocza krwi bydlęcej
przy parametrach 0,2 m/s, 0,5 MPa
Fig. 2. Exemplary courses for: a) destilled water, b) bovine blood plasma with parameters: 0.2 m/s, 0.5 MPa
W artykule przedstawiono wyłącznie wyniki ustabilizowanego współczynnika tarcia (Rys. 3). Wśród preparatów krwi najbardziej reprezentatywne (stabilne) wyniki uzyskano dla osocze krwi zwierzęcej, gdzie nie
występują znaczące różnice współczynnika tarcia dla różnych wartości
nacisku i prędkości ślizgania. Osocze i surowica krwi ludzkiej przy mniejszym nacisku wykazywały niższe wartości współczynnika tarcia niż osocze
zwierzęce. Zwiększenie nacisku do 1 MPa spowodowało jednak w przypadku surowicy znaczny, ponadczterokrotny wzrost współczynnika tarcia.
Surowica i osocze krwi ludzkiej charakteryzowały się też największą wartością odchylenia standardowego wyników. Należy równocześnie zwrócić
uwagę na zjawisko krzepliwości, które dla osocza z obydwu źródeł pochodzenia uniemożliwiało przeprowadzanie dłuższych eksperymentów.
a)
b)
Woda destylowana
Osocze krwi ludzkiej
Osocze krwi bydlęcej
Surowica krwi ludzkiej
0,2
0,16
Współczynnik tarcia µ
Współczynnik tarcia µ
Woda destylowana
Osocze krwi ludzkiej
Osocze krwi bydlęcej
Surowica krwi ludzkiej
0,24
0,24
0,2
0,16
0,12
0,12
0,08
0,08
0,04
0,04
0
0
0,1
0,1
0,2
0,3
0,4
0,2
0,3
0,4
Prędkość liniowa [m/s]
Prędkość liniowa [m/s]
Rys. 3. Ustabilizowany współczynnik tarcia: a) przy nacisku 0,5 MPa; b) przy
nacisku 1 MPa
Fig. 3. Stabilized friction coefficient: a) at load of 0.5 MPa; b) at load of 1 MPa
48
TRIBOLOGIA
4-2009
Stwierdzono ponadto, iż charakterystyki intensywności zużywania
(Rys. 4) nie korelują z wynikami współczynnika tarcia (Rys. 3), zwłaszcza w przypadku zastosowania osocza krwi ludzkiej. Cechuję się ono
największym zużyciem polimeru, szczególnie po zwiększeniu nacisku do
1 MPa (Rys. 4b).
a)
b)
350
300
400
Woda destylowana
Osocze krwi ludzkiej
Osocze krwi bydlęcej
Surowica krwi ludzkiej
Intensywność zużycia
liniowego [µm/km]
Intensywność zużycia
liniowego [µm/km]
400
250
200
150
100
50
Woda destylowana
Osocze krwi ludzkiej
Osocze krwi bydlęcej
Surowica krwi ludzkiej
350
300
250
200
150
100
50
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,1
Prędkość liniowa [m/s]
0,2
0,3
0,4
Prędkość liniowa [m/s]
Rys. 4. Intensywność zużywania liniowego: a) przy nacisku 0,5 MPa; b) przy nacisku 1 MPa
Fig. 4. Intensity of linear wear: a) at load of 0.5 MPa; b) at load of 1 MPa
Natomiast w przypadku użycia osocza krwi bydlęcej i surowicy krwi
ludzkiej obserwuje się mniejszą intensywność zużywania materiału polimerowego niż przy zastosowaniu wody destylowanej. Większe różnice
pomiędzy ludzką surowicą i osoczem bydlęcym zauważa się tylko dla
mniejszego obciążenia węzła tarcia, gdzie wartości intensywności zużywania sięgają 70 µm/km (Rys. 4a).
a)
b)
45
40
Ustabilizowana temperatura
środka smarującego [oC]
Ustabilizowana temperatura
środka smarującego [oC]
50
Woda destylowana
Osocze krwi ludzkiej
Osocze krwi bydlęcej
Surowica krwi ludzkiej
35
30
25
20
0,1
0,2
0,3
Prędkość liniowa [m/s]
0,4
50
45
40
Woda destylowana
Osocze krwi ludzkiej
Osocze krwi bydlęcej
Surowica krwi ludzkiej
35
30
25
20
0,1
0,2
0,3
0,4
Prędkość liniowa [m/s]
Rys. 5. Ustabilizowana temperatura środka smarującego dla nacisku: a) 0,5 MPa;
b) 1 MPa
Fig. 5. Stabilized temperature of a lubricating agent for load of: a) 0.5 MPa; b) 1 MPa
4-2009
TRIBOLOGIA
49
Analiza wyników ustabilizowanej temperatury medium smarującego
potwierdza spodziewany wzrost temperatury wraz z rosnącą prędkością
współpracy (Rys. 5). Otrzymane rezultaty nie wskazują natomiast na
znacząco zwiększoną dyssypację energii pod wpływem większego obciążenia węzła.
PODSUMOWANIE
Z uwagi na różny sposób przejścia od tarcia statycznego do kinetycznego
w przypadku użycia wody destylowanej i preparatów krwi oraz duże podobieństwo tych ostatnich do płynów ustrojowych występujących w sztucznych stawach, wskazanym jest stosowanie w badaniach układu biopolimer–metal mediów smarujących na bazie preparatów krwi. Ze względu na
bardzo dużą intensywność zużywania oraz duży rozrzut ustabilizowanego
współczynnika tarcia i intensywności zużycia liniowego, osocze krwi ludzkiej nie powinno być jednak stosowane do badań tribologicznych.
W przypadku badań par materiałowych przeznaczanych na implanty
długookresowe należałoby zweryfikować charakterystyki tribologiczne
uzyskane przy użyciu roztworów kwasu hialuronowego i Ringera oraz
rozważyć możliwość stosowania ich mieszanin z preparatami krwi.
LITERATURA
1. Marciniak J.: Biomateriały. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice
2002.
2. Będziński R.: Biomechanika inżynierska. Oficyna Wyd. Pol. Wroc., Wrocław 1997.
3. Gierzyńska-Dolna M.: Biotribologia. Wyd. Pol. Częst., Częstochowa 2002.
4. ISO 7206-2 (1996): Implants for surgery – Partial and total hip joint prostheses.
5. Xiong D., Ge S.: Friction and wear properties of..., Wear 2001, 250,
s. 242, 245.
Recenzent:
Marian W. SUŁEK
Summary
An introduction of a new material for long-term implants, especially
for endoprostheses, should be preceded with comprehensive re-
50
TRIBOLOGIA
4-2009
search, including tribological tests. The in vitro operational tests of
materials used for endoprostheses, which cannot be skipped, should
be performed in conditions reflecting, as far as possible, those present in the implanted joint. This will allow a quite accurate description of the behaviour of the biomaterial tested in the aspect of its
long-term life cycle in a living organism. So far, there has been no
standard lubricating agent that should be used in this type of tests.
The above problems are seldom discussed in the professional literature.
The authors of this paper intend to present the influence of lubricating agents, including the animal and human blood plasma and
the human blood serum, on the tribological characteristics of the
polymer-metal friction couple. The results of the experiments made
have revealed a different course of tribological characteristics of
blood preparations compared to those of distilled water as well as
changes in the values of the friction coefficient and wear intensity at
various loads and sliding speeds. Human blood-based products are
characterised with a larger spread and lower explicitness of results
than other lubricating agents. It is disadvantageous in the case of
applying a pure form of these products for tribological tests. The
analyses carried out show imperfections of blood derivative preparations but, at the same time, they dictate the direction of searching for
a liquid to be used in long-term tribological in-vitro tests.